Diseño de Reactores Químicos Introducción F.Cunill, M.Iborra, J.Tejero, J.F.Izquierdo, C.Fité

Todo proceso químico está dividido en una serie de operaciones unitarias conectadas entre sí. Estas operaciones o etapas pueden ser físicas y/o químicas. Consecuentemente cualquier proceso puede esquematizarse como se muestra en la figura inicial.

En un principio la Ingeniería Química estudiaba conjuntamente todo tipo de operaciones unitarias. Sin embargo, a partir de los años 40, la operación química adquiere entidad propia, se profundiza en su estudio y se desarrolla un lenguaje específico. Todo ello culmina con la consolidación, en 1957, de la disciplina de INGENIERIA DE LA REACCIÓN QUÍMICA.

La INGENIERIA DE LA REACCIÓN QUÍMICA o Ciencia de los Reactores , de acuerdo a la definición en el Congreso de Amsterdam de 1957, tiene por objeto el Diseño y control de reactores químicos para producciones industriales. Ello comporta el análisis de reactores, tanto el diseño como la operación de los mismos.

J. Villermaux define un reactor de la siguiente manera: “un reactor es cualquier porción del espacio donde la materia circula, se intercambia y se transforma” . Sin embargo, más especificamente se puede considerar al reactor como una unidad donde tienen lugar las reacciones con un objetivo principalmente de producción industrial.

Aunque el reactor en si no represente económicamente un porcentaje elevado de la inversión (normalmente < 10%), se considera que es el núcleo del proceso químico. Ello es debido a que su comportamiento condiciona las operaciones de acondicionamiento y separación. Para implementar un reactor en un proceso hay que:

1. Diseñarlo
2. Hacerlo construir
3. Mantenerlo en operación

En el diseño del reactor es necesario
i. Seleccionar el tipo
ii. Dimensionar
iii. Realizar el diseño o ingeniería de detalle

La selección del tipo de reactor tiene por objeto maximizar el rendimiento material y energético de la planta. Para ello hay que considerar:

a) Las características de la reacción: Las reacciones químicas varían radicalmente según el numero de las fases presentes, el mecanismo de reacción (una o varias etapas), la existencia de equilibrios, los efectos térmicos y la sensibilidad a las condiciones físicas (presión, temperatura, agitación,...). Estas características imponen serias dificultades en el diseño del reactor, principalmente cuando se quiere preservar la seguridad y el medio ambiente y optimizar el rendimiento y los costes. Por ejemplo si la reacción es exotérmica es indispensable prever una refrigeración adecuada para evitar la aceleración incontrolada del reactor. Las propiedades a considerar en cuanto a las reacciones químicas se muestran en la Tabla 1.1.

b) Aspectos técnicos (agresividad del medio, naturaleza de los materiales)
c) Económicos (materiales disponibles en el mercado, producción, costes de la energía,...). Todo ello empíricamente viene englobado en la afirmación que indica que para grandes producciones unidades continuas y para pequeñas producciones unidades discontinuas.

Obtener el rendimiento óptimo que se tiene como objetivo pasa por considerar los siguientes aspectos:
♦ Cuál es el modo adecuado de poner en contacto las diversas fases y asegurar la transferencia entre dichas fases. La transferencia de materia y la transmisión de calor deben estar favorecidas o desfavorecidas según convenga.
♦ El tipo de reactor deberá obtener la máxima conversión en el caso de reacción única y máxima selectividad en el caso de reacciones múltiples. Está documentado que una configuración adecuada del reactor y su modo de operación puede incrementar notablemente la selectividad. Así por ejemplo, la reacción de oxidación de isobutano presenta selectividades que varían del 30% al 50% según sea el esquema de alimentación tal y como se indica en la figura.

♦ Las condiciones de operación deben estar optimizadas
♦ La utilización óptima de la energía.

Así pues, escoger el reactor consiste básicamente en seleccionar

• El modo de tratamiento de la carga (modo de operación)
• Evolución en el tiempo del contenido del reactor: régimen estacionario o no estacionario
• Modelo de flujo
• Puesta en contacto de las fases presentes
• Selección de los materiales de construcción

Una vez escogido el reactor (tipo y modo de operación) hay que realizar el dimensionado del mismo determinando el parámetro básico del equipo que según el tipo de reacción puede ser:

◘ El volumen total (reacción homogénea)
◘ La masa de catalizador (reacción catalítica heterogénea)
◘ Altura de la columna (reacciones G/L)

Por último es necesario realizar la ingeniería de detalle que abarca desde aspectos de distribución de volumen (relación altura diámetro) atendiendo a las perdidas de carga permisibles, al consumo de energía de agitación y también el cálculo del área de transmisión de calor necesaria, hasta aspectos de ingeniería civil.

Continúa...